礦用液壓支架掩護梁結構的仿真與優化

樊瑞敏

（大同煤礦集團軒崗煤電有限責任公司機電修造廠， 山西 原平 034114）

引言

掩護梁作為液壓支架中的關鍵部件，其具有較好的結構性能，對保障液壓支架正常工作具有十分重要。而在掩護梁實際使用過程中，經常因外界環境惡劣、自身受載荷不均勻而出現較大的結構變形、鉸接處磨損嚴重及結構斷裂等故障現象，如圖1、圖2所示，嚴重影響著液壓支架的工作效率和使用安全。提高掩護梁的結構性能，已成為當下煤礦企業關注的重點[1-2]。

圖1 液壓支架掩護梁報廢實物圖

圖2 液壓支架掩護梁鉸接耳損壞圖

1 液壓支架結構的分析

液壓支架結構主要由頂梁、掩護梁、四連桿機構、護幫裝置、底座、千斤頂、推移裝置、操縱閥等部件組成，根據其使用功能的不同，可將其分為掩護式液壓支架、支撐式液壓支架、支撐掩護式液壓支架等結構。在其工作過程中，主要以高壓液體作為動力源，通過多種液壓元件、金屬元件及控制系統的共同作用，對礦井進行較好的支撐，并有效防止矸石掉入至采煤區。同時，通過液壓系統，可將輸送機、采煤機不斷地向前進行推進，以更好對煤層進行開采，而在此過程中，包含了上下升降及前后推移運動。另外，液壓支架的頂梁通過與頂板進行接觸，承受著來自頂部煤巖的壓力作用；而底座通過與地面接觸，將來自各個方向的外界作用力傳遞至地面，實現了對整個液壓支架的總體支撐作用。隨著其技術的不斷提升，目前，具有更加先進的液壓支架系統已在各大煤礦進行了推廣和應用[3-4]。

2 掩護梁模型的建立

2.1 三維模型的建立

根據掩護梁在使用過程中出現的故障問題，提高其結構性能，可有效保證液壓支架的正常工作。因此，根據掩護梁的結構尺寸，采用Solidworks 軟件，建立了包含頂板、前后鉸接耳、支撐筋板等結構在內的掩護梁三維模型；同時，為使仿真結果與實際使用情況更加吻合，省略了掩護梁上的倒角、圓角、圓孔等非關鍵特征，僅保留了掩護梁的關鍵特征。由此，建立了簡化后的掩護梁三維模型，如圖3 所示。

圖3 液壓支架掩護梁三維模型圖

2.2 仿真模型的建立

結合建立的掩護梁三維模型，將其導入至ABQUAS 軟件中，對其進行仿真條件設置。結合掩護梁的實際結構材料，將其設置為Q460 材料，該材料具有強度較大、彈性變形較好等特點，在煤礦設備中得到了較大程度的應用，其材料的主要參數如下頁表1所示。同時，采用了四面體網格類型，對掩護梁進行了網格劃分，網格大小設置為20 mm，其網格劃分圖如圖4 所示。另外，結合掩護梁的實際工作條件，在其關鍵受力部位進行了載荷施加及邊界條件設置，完成了掩護梁仿真模型的建立。

表1 Q460 材料主要屬性參數

圖4 掩護梁網格劃分圖

3 仿真結果的分析

3.1 應力變化的分析

由圖5 可知，掩護梁的頂板、鉸接耳處、下部加強筋等部位均出現了不同程度的應力集中現象，且應力分布不均勻；其中，掩護梁的頂板中部的應力相對較大，分別分布在中部的三個凹槽內及邊緣上，但均在材料的屈服強度范圍內，而在其左右兩邊的應力則相對更低；同時，掩護梁的右端鉸接耳處、加強筋板上減輕孔處的應力也相對較大。分析其原因為掩護梁頂部承受著來自外界的較大載荷作用，鉸接耳處與銷軸之間存在較大的滾動摩擦及相互作用，導致其出現了此現象，此現象與掩護梁的實際使用情況基本吻合。因此，需對其頂板及鉸接耳處進行進一步的應力轉移[5]。

圖5 液壓支架掩護梁應力變化圖

3.2 應變變化的分析

由圖6 可知，掩護梁的應變變化情況與應力變化情況基本相同，結構位移呈無規則的不均勻的變化趨勢，且頂板的凹槽處出現了較大程度的結構變形，并延四周呈逐漸減小趨勢；而掩護梁的鉸接耳處、下部加強筋及減輕孔處也出現了一定程度的變形，此現象與掩護梁使用過程中出現的故障位置分布基本吻合。因此，在后期的設計使用過程中，需對其進行進一步的結構優化，以較好地保證液壓支架的安全工作。

圖6 液壓支架掩護梁應變變化圖

4 掩護梁結構的優化

結合前文的仿真結果可知，掩護梁的頂板、鉸接耳、下部加強筋板等部位均出現了不同程度的應力集中、應變變化等，實際工作過程中，極易在這些部位率先發生結構變形、斷裂等故障，嚴重影響著液壓支架的使用安全。因此，對其進行了優化改進。

1）對掩護梁的頂板進行結構改進，可減少其凹槽的深度，并增加凹槽邊沿的圓弧尺寸，并在應力集中周邊開設較小直徑的圓孔，可將集中的應力轉移至圓孔處；同時，增加頂板凹槽邊緣的結構厚度[6]，適當時候可對其進行熱處理，以此來降低頂板的結構變形量。

2）增加鉸接耳處的銷孔直徑，加厚鉸接耳的板厚，同時，增加下部加強筋板的厚度，并適當減小減輕孔的直徑，由此可增加掩護梁的結構強度，減少其發生故障的概率。

3）在后期的設計過程中，應對其結構材料進行優選，選用強度更大、性能更加穩定的材料，有效降低掩護梁的結構變形程度。

4）掩護梁使用過程中，人員需加強對其運轉情況的檢查，并在銷軸鉸接處添加潤滑油，減少因潤滑不足、振動過大而導致的掩護梁結構變形故障，針對出現較少故障的掩護梁，應及時進行維修甚至更換，以減小其故障損壞程度。